Shin's MonoBlogue

前にCox の 0.8ccのエンジンをホバークラフトに取り付けてみた話を書き込みましたが、どうもこの手の小さいエンジンにはまってしまったようです。今度はより小さい、Cox Pee Wee 020（0.33cc）を入手して試してみました。


今回はエンジンと舵のサーボを一体化したホルダーを作ってみました。舵も３Dプリンタ製です。最初なかなかエンジンがかからず、見てみたらかなり濡れた状態だったのでニードルを絞りきってみるとエンジンが掛かりかけます。そこから開いていくと、ちょうど良いニードルの位置は約１周ちょっと、エンジンを掛ける最初のときでも１周半も回すと多すぎるぐらいでした。プロペラは .049 の時と同じAPC Speed400 4.5x4.1 で、Pee Wee 020 には少し荷が重い様子であまり高音まで音が上がりません。


回転数を測ってみると（今はスマホの音声入力から回転数を割り出すアプリがあります）12,500rpm程度でした。推力をプロペラの直径とピッチ、回転数から求める方法があり、それによると推力は128g。プロペラの直径内で均等に空気が流れていると仮定すると風量は約6m³/min、風速は9.7m/s となりました。風量は大きいですが風速は低めです。ホバークラフトの実際の自重350gに対して、損失がないと仮定しても浮上限界の質量は620gとあまり余裕がありませんが、風量が大きいので浮上さえしてしまえば4mmほど浮き、アスファルト路面でも走りそうです。



走らせてみました。重量バランスが今ひとつですがうまく走りました。燃料が濃すぎたり薄すぎたりして回転数が10,000rpmを割り込むと滑らなくなり、これも計算通りと行った感じです。推力が小さめなこともあって運転しやすいですが、なにぶんラジコンが下手くそなもので（右に回ろうと思っていても左に回してしまうこと多数）、ちょくちょくヘルプに走っていますが・・・エンジンが小さいためもあるでしょうが、 049 エンジンのときに比べると回転が上がらないこともあって音がかなり小さめです。しかし余力がないのでスロットル制御する余地はない感じでした。

最後に、ホバークラフトの設計に用いている Excel のファイルをダウンロードできるようにしておきます、こちらはホバークラフトに限らない基礎的計算で、風速風量から推力を求めたり、プロペラの仕様と回転数から推力を求める計算が入っています。リーフブロワーの出力特性を２時関数近似したものも入っています。こちらはホバークラフト設計検討用のファイルで、ファンの風速風量とホバークラフトの大きさ・重さ、ファンの風量のうち何割を浮上に回すかを入れると、最大荷重、浮上高、静止時からの加速度などが求められます。

先日から作成しているホバークラフト、大きな農機具（リーフブロワー）を乗せるタイプも、ＰＣ冷却ファンや小型のCoxエンジンを乗せるタイプも、どちらも発泡スチロールが主な素材になっています。それを切ったり削ったりしていくわけですが、どうしても細かな粉が出ます。発泡スチロールの粉はとても静電気を帯びやすく、服についたら取れにくいし、どこにでも入り込むため屋内作業はしたくないところ。スタイロフォームをカッターで切る場合はさほどではないですが、これはこれで結構力がいるし、ということで、やっぱり熱線式のスチロールカッターに限るな、ということになりました。

そこで例によって amazon などでニクロム線を探してみるわけですが、いろんな太さがありどれがいいのかわかりません。それでネット検索。すると素晴らしいことに、どれぐらいの電力で熱すればちょうどよい具合に切れるか調べたブログが見つかりました。それによると、0.4W/cm（1cmあたり0.4W）ぐらいがよいようです。これと、ニクロム線の単位長さあたりの抵抗値（Ω/m）ぐらいががわかれば、どれぐらいの電圧・電流になるかがわかります。抵抗値が高いと電圧が高めで電流が小さくなりますが、あまりに電圧が高いと感電の危険があります。逆に抵抗値が低いと電流を大きくする必要があるため、電源の能力が問われたり、配線の太さが問題になります。丁度いいのはどれぐらいかな・・と思ってさらに検索をしていると、なんとステンレス線でも発砲スチロールカッターが作れるという記事を発見しました。たしかに、ステンレス（代表的なもの）も鉄にニッケルとクロムを混ぜたもの（18-8ステンレスというのは、クロムが18%、ニッケルが8%という意味）なので、ニクロム線に近いわけです。


ステンレス線なら手持ちにいろいろあります（錆びにくく、汎用性が高いので、下手な針金を買うよりもずっとおすすめです）。その中で一番細いものというと、この0.3mmの線。距離を変えながら抵抗値の変化をテスターで調べてみると、どうも10Ω/mぐらいで、狙っていた抵抗値ドンピシャという感じです。さっそくこれで発砲スチロールカッターを作って見ました。電池式だとなにかと便利ですが、エネループ４本で電圧は約5V、ステンレス線の長さを25cmにすると抵抗値は2.5Ωなので約2Aが流れます。全体で10W、単位長さあたりの発熱量は0.4W/cmということでぴったりです。



木の棒で枠を作り、ステンレス線を張ってスチロールカッターにしました。ポイントとしては、ステンレス線へのはんだ付けでしょうか。そのままではハンダが乗らないのでステンレス用のフラックスが必要です。そして切ってみた様子が上の動画。もう少し切れ味が良くてもいいかなと思いますが、切断面もきれいでうまいこと切れました。ステンレスのほうがニクロムよりも抵抗値が低いので、同じ抵抗値ならステンレスのほうが細くなり、かえって具合がいいのではないかと思います。

3Dプリンタが安価になり、光硬化樹脂を用いたタイプではかなり高精度な造形も可能です。しかし素材が限られるために造形物の強度が制約され、アクリル素材に似た硬さになり、壊れにくさの点では一般のプラスティック造形品と同等とはいきません。特に、紫外線硬化樹脂は造形直後に比べて時間が経ったり光があたったりすると硬化が進み、出力直後よりも硬くなるかわりに脆くなることが多いようです。そのため細かなアクセサリを作っても落とすと欠けたてしまったりしますし、強度が必要な部分では厚みを十分にとる必要があったりします。なんとかならないか・・と思っていて、ふと思いつきました。FRP（繊維強化プラスティック）にすればいいのではないかと。


そこでいろいろ調べていると、なんとグラスファイバーの短繊維を小分けで販売しているところ（フェザーフィールド株式会社）が見つかりました。さっそく、ガラス繊維を3mmの長さに切断した「チョップトストランド」と、さらに細かくすりつぶした粉末状の「ミルドファイバー」を500gずつ購入。たった500gと思いましたが、届いてみると意外に量が多く、かなり遊べそうです。


3Dプリンタにかけるまえに、まずは簡単な実験をしてみます。小さじにガラスファイバー２種類をとって、それにスポイトで約1mlずつ紫外線硬化樹脂を垂らします。紫外線硬化樹脂にはSK本舗のSK水洗いレジンの透明と黒色を混ぜたものを使いました。この水洗いレジンは後処理や掃除が非常に簡単になる上、匂いもほとんどせず、造形失敗も非常に起こりにくいので非常におすすめ、というか光造形を使うならこれに限ると思います。爪楊枝でよく混ぜてから紫外線ランプで固めました。



固めたものを曲げたり折ったりする様子を動画に撮影しました。今回は形を統一していませんし、そもそも統一したところで測定器がないのでどうにもなりませんが、かなり剛性が上がっている様子がわかると思います。破断する際の強度だけでなく、その前の曲がりやすさ（剛性：ヤング率）がかなり変わるのが印象的です。またこれは想像ですが、３Dプリンタ出力物は次第に反ってくることが多いところ、それをかなり防げるのではないかと思います。


次に３Dプリンタで造形してみました。今回はミルドファイバーを、まずは少し、次は思い切った量を入れて造形してみました（それでも上の実験よりは混合比率は低いと思います）。造形結果を右に示しています。特に通常の造形と変わった点はありませんが、ミルドファイバーの混合率を高くしたときには一つ、造形物がプラットフォームから剥離したので、もしかしたら紫外線硬化樹脂の割合が減ることで接着力が下がる可能性はあると思います。ミルドファイバーを用いた場合、最終形状は普通の造形とそんなに違いはありませんが、側面は少しザラザラした印象になるようです（上下の面は通常の造形と同様にツルツルになります）。出来上がったものを曲げてみると、やはり混合しない場合に比べて剛性が高くなっているようで、幅10mm、長さ40mmの棒状の物体の場合、厚みが5mmもあれば、手の力では折ることが出来ないぐらいの強度になりました。

チョップトストランドではまだ実験していませんが、造形物の周囲に繊維が毛羽立ったような形状に造形されると思われます。薄い層ごとに固め、固めるごとにプラットフォームが上がって液を満たす動作をする関係から、全てのファイバーが水平方向に配向されると思われ、その方向の強度が高くなると思われます（よって薄板状のものは水平であれば強度が高くなると思いますが、縦に長いものは強度アップはあまり期待できない可能性があります）。次回実験してみたいと思います。


FRP というと、ガラスマットやガラスクロスなどの布状のものを型に貼り込み、２液性の樹脂（マトリックス）で固める方法が一般的です。しかし産業界ではプラスティックの射出造形で短繊維を用いた造形も広く用いられています。また、今回の実験と同様に光硬化型3Dプリンタで素材にガラスパウダーを混ぜ、強度の評価を行った先行研究も見つかりました。ガラスパウダーとミルドファイバーがどう違うか不明ですが、ガラスパウダーでもかなり強度が向上することが報告されています。ちなみに今回購入したミルドファイバーは遠目にはただの粉末ですが、拡大すると上の写真のように繊維形状を保っています。これらのガラス素材は紫外線硬化樹脂よりも重量あたりの値段が1/10程度と安いので、量を水増しすることもできて面白いと思います。

ミルドファイバーを紫外線硬化樹脂に混ぜると、そもそも粘度が高めの紫外線硬化樹脂の粘度がさらに上がりドロっとしてきます。それ自体にはあまり問題はないようですが、比重の違いによりガラス繊維が次第に沈殿します。造形動作である程度撹拌されますが、造形前にはよく撹拌したほうがいいようです。また、今回はさほど気になりませんでしたが、ガラス樹脂は硬いため、3Dプリンタのバット底面のFEPフィルムが白濁しやすい可能性はあると思います。

今度は一度、強度最優先でチョップトストランドを用いた造形も試してみようと思います。